二自由度正交式机器人关节模块及六自由度机械臂的制作方法

本发明属于机器人技术领域，可用于轻质关节型工业机械臂、服务机器人机械臂的研究及开发。

技术背景

目前大部分的关节型工业机器人的运动都是将六个关节由连杆等连接并通过旋转运动产生的，结构复杂、体积较大，导致重量/负载比较大、能源利用率较低、拆装困难、价格昂贵。

在给定任务复杂多变或工作环境未知的情况下，传统工业机器人由于自身构型的限制，难以满足工作的需要。模块化机器人改变了传统工业机械臂的局限性，可以适应复杂多变的工作环境和给定任务，扩大了机器人的应用领域、降低机械臂的重量负载比、缩短机械臂设计周期并降低成本，可满足未来多变化和小批量的柔性生产需求，逐步成为了机器人研究的热点。

目前针对机器人关节模块的研究主要围绕单自由度关节模块进行，获得了大量的研究成果，开发出单自由度关节模块和相应的轻质机械臂；但是，关于二自由度关节模块，迄今还没有相关技术的公开报导。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种二自由度正交式机器人关节模块及六自由度机械臂，将两个方向的驱动、传感以及控制部件集成在一起，单个关节提供两个方向的动力输出，获得更好的结构和性能。

本发明二自由度正交式机器人关节模块的结构特点是：在由基座和壳体构成的中空腔内，独立设置第一动力单元和第二动力单元，所述第一动力单元和第二动力单元是结构相同的单自由度动力单元，第一动力单元和第二动力单元的动力输出轴相互垂直。

本发明二自由度正交式机器人关节模块的结构特点也在于：所述单自由度动力单元的结构设置是：法兰连接在谐波减速装置上；直流电机组件套装在中空轴上，并能够驱动所述中空轴旋转；利用所述谐波减速器连接中空轴和法兰；抱闸装置通过齿轮副对中空轴进行制动。

本发明利用二自由度正交式机器人关节模块构成的六自由度机械臂的结构特点是：包括安装在固定位置上的底座、第一连杆、第二连杆，以及三只本发明关节模块，所述关节模块分别第一关节、第二关节和第三关节；

所述第一关节中的一个动力单元的法兰与底座固定连接，另一动力单元的法兰与第一连杆的下端固定连接；

所述第二关节中的一个动力单元的法兰与第一连杆的上端连接，另一动力单元的法兰与第二连杆的下端连接；

所述第三关节中的一个动力单元的法兰与第二连杆的上端相连接，另一动力单元的法兰用于连接机械手爪等末端执行器。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

相比于单自由度关节模块，本发明中二自由度关节模块将两个方向的驱动、传感和控制等部件集成，单个关节能够提供两个方向的动力输出，其结构紧凑、集成度高、综合能耗更低，将为轻质高效工业机器人和服务机器人机械臂的开发提供关键部件，极大地有利于促进工业机器人的升级换代和服务机器人的应用推广。

附图说明

图1本发明内部结构示意图；

图2为本发明中单自由度动力单元结构图；

图3为本发明中六自由度机械臂结构示意图；

图中标号：1基座，2外壳，3第一动力单元，4第二动力单元，5第一驱动板，6第二驱动板，31法兰，32谐波减速装置，33直流电机组件，34中空轴，35齿轮副，36传动轴，37抱闸装置，38编码器，71第一连杆，72第二连杆，81第一关节，82第二关节，83第三关节，9底座。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中二自由度正交式机器人关节模块的结构形式是：在由基座1和壳体2构成的中空腔内，独立设置第一动力单元3和第二动力单元4，第一动力单元3和第二动力单元4是结构相同的单自由度动力单元，第一动力单元3和第二动力单元4的动力输出轴相互垂直。第一驱动板5和第二驱动板6分别是第一动力单元3、第二动力单元4的控制电路板，安装在外壳2的内部，用来控制动力单元的输出速度及力矩。

单自由度动力单元的结构设置是：法兰31连接在谐波减速装置32上，用于连接机器人连杆；直流电机组件33套装在中空轴34上，并能够驱动中空轴34旋转；利用谐波减速装置32连接中空轴34和法兰31；抱闸装置37通过齿轮副35对中空轴34进行制动。

由直流电机组件33驱动中空轴34转动，经过连接在中空轴34上的谐波减速装置32减速而输出扭矩至法兰31；中空轴34的旋转经过齿轮副35的减速传输到传动轴36上，抱闸装置37通过施加反向力矩阻止传动轴36的运动，对中空轴34进行制动；编码器38安装在抱闸装置37的后端，用于计算中空轴34旋转的圈数。

传统的六自由度机械臂，除了底座之外，至少需要四跟连杆，才能实现六轴的运动输出。使用本发明的二自由度正交式机器人关节模块，可以构建如图3所示的六自由度机械臂，包括底座9、第一连杆71、第二连杆72以及三个关节模块，图中所示三个关节模分别是连接在第一连杆71与底座之间的第一关节81，连接在第一连杆71和第二连杆72之间的第二关节82，以及连接在第二连杆另一端的第三关节83，使机器人的构型简单化和轻质化。

图3所示的六自由度机械臂，其底座9安装在固定位置上，第一关节81中的一个动力单元的法兰与底座9固定连接，另一动力单元的法兰与第一连杆71的下端固定连接；第二关节82中的一个动力单元的法兰与第一连杆71的上端连接，另一动力单元的法兰与第二连杆72的下端连接；第三关节83中的一个动力单元的法兰与第二连杆72的上端相连接，另一动力单元的法兰用于连接机械手爪等末端执行器。

在动力单元的驱动下，第一关节81中与底座9相连的动力单元用于驱动第一关节81、第一连杆71、第二关节82、第二连杆72以及第三关节83等构件整体绕底座的轴线旋转；第一关节81中与第一连杆71相连的动力单元用于驱动第一连杆绕该动力单元的轴线旋转；第二关节82与第一连杆相连的动力单元用于驱动第二关节82、第二连杆72以及第三关节83绕该动力单元的轴线旋转；第二关节82与第二连杆72相连的动力单元用于驱动第二连杆71以及第三关节83绕该动力单元的轴线旋转；第三关节83与第二连杆72相连的动力单元用于驱动第三关节82绕该动力单元的轴线旋转。

本发明中将壳体做成球状，首先在外壳表面积相同的情况下，内部体积为最大，能够容纳关节模块的各零部件；其次为了使各连杆和关节模块组成的机械臂，工作空间最大，避免在工作空间内连杆运动和关节模块产干涉。

本发明可以为机器人行业提供一种高集成度的关节模块，为机器人向轻质化、模块发的发展提供关键核心部件，引导机器人的设计与制造方法向轻质化、模块化方向发展。